架空输电线路无人机自主巡检仿真环境设计措施分析 .pdfVIP

架空输电线路无人机自主巡检仿真环境

设计措施分析

摘要：无人机电力巡检已经逐渐普及，但人工操控无人机仍存在弊端，研究

电力无人机自主巡检已经成为一大趋势。无人机自主巡检功能需要做大量的实验

反复验证相关的功能，在实际现场实验对输电线路会造成巨大的潜在风险。针对

这一问题，设计了输电线路环境模型，在Airsim仿真平台上实现了无人机巡检

飞行实验，为更高效、低风险地研发无人机自主巡检功能提供了技术参考。

关键词：输电线路仿真；无人机自主巡检；Airsim仿真

到2020年末，全国输电线路的总长度由2014年的1150千公里增至

1590,000公里，而高压等级的电网运行距离达到110万km，而目前的输电线路

运检工作人员数量严重短缺，已经不能满足电网监控的新要求。随着高性能、轻

量化的航空传感技术和导航定位技术的发展，使其在电力监控中的广泛使用。采

用手动操纵的方式，实现对输电线路、输电杆塔等部件的状态监测和障碍检查。

但在无人机的普及和使用中，出现了许多问题，这些问题的出现既会对无人机驾

驶员的操作能力造成很大的影响，也会对电网运行的安全性造成一定的不利影响，

而对无人机进行手动监控则会导致电池的更换，从而导致作业效率下降。为此，

对无人机的自动巡检模拟进行了深入的探讨。无人机自动巡检模拟试验可以为

[1]

实际运用、优化其性能、降低开发费用等方面提供依据。当前有关无人机系统的

模拟研究多为无人机控制系统、飞行稳定性和动力学建模等领域，有关无人机电

力巡天模拟试验的研究相对比较薄弱。本论文采用SolidWorks对无人机进行了

电力巡检的研究，在Airsim开发的模拟环境下，对无人机的自动巡检性能进行

了验证。

1仿真环境设计

1.1输电杆塔模型设计

根据其外形特点，输电线路通常可划分成“猫头”型、“干”型、“酒杯”

型、“桶”型、“上”型等；根据其使用范围，可以划分成耐张塔、转角塔、跨

越塔、直线塔、换位塔、终端塔等。通过对110kV“干”形直杆塔的实例计算，

对杆塔和导线进行了简单的建模，并对其进行了相应的优化，并将其与杆塔之间

的连接部分和引线的电弧进行了优化。在SolidWorks中，我们使用SolidWorks

进行了传输线缆的模拟建模[2]。

图1输电杆塔模型斜视图

1.2环境设计

将Solidwork中的线塔建模为一个标准的基于ROS的机器人模型的通用描述

格式URDF,URD是一个用于ROS的机械手建模文档，它采用XML（Extensible标

签language）形式构建，包括运动参数，动力学参数，可视化参数，连接关节，

惯性参数等。将已建好的电杆模型URDF文档导入到Airsim仿真软件中，对其进

行了进一步的优化。Airsim仿真系统具有多种实体发动机，能够模拟各种不同类

型的环境，如阵风、温度场、GPS、相机、激光雷达等，从而在复杂、高风险的

环境中准确、高效地模拟出无人机的相关功能。此外，Airsim模拟器拥有大量的

机器人和环境数据库，为自主式无人机的研制提供了便利。

利用Airsim虚拟样机，将地面、背景、光照等环境特性加入到传输线塔环

境中，设定了线缆的初始状态，调整了线缆的色彩等参数；利用Airsim模组的

Iris模式，编制了样机的样框，并在插件框中设定了摄像机的焦距、投影矩阵等

内部参数，将摄像机固定在机架的正下方，将所拍到的图像呈现在无人机的正前

方，这样可以在巡视的时候对其进行拍照，便于进行调整[3]。

2仿真实验

该模拟试验采用了Airsim四旋翼型无人机的Iris模型，利用Pixhawk飞

行控制系统进行了模拟。

Pixhawk是一家开放飞行控制硬件制造商3DR公司开发的新型飞行控制软件，

包括两个固件，一个是PX4本地的Firmware，一个是Ardupilottl01，在模拟试

验中使用了一个本地的固件。同时，此飞行控制NuttX系统可以通过ROS系统

进行数据通信，为以后的应用提供了便利。

Airsim仿制品和PX4利用MAVLink进行通讯，将来自模拟的环境的信息经

由MAVLink传送给PX4。MAVLink是一种以C/C++和Python为基础的开放源码

通讯协